Солнечные часы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Время быстротечно, и мы не можем управлять им. Тысячелетия человек пытается остановить время, но, увы, в результате лишь наблюдает его ход.

Солнечные часы - древнейший инструмент, позволяющий следить за ходом времени. Их использовали в течение веков, и то обаяние, которое присуще солнечным часам, по-видимому, никогда не поблекнет. Солнечные часы, которыми мы пользуемся в настоящее время, конструктивно такие же, что и в древние времена, они ни чуть не изменились за последние несколько тысячелетий.

В этой статье представлена совершенно новая конструкция, базирующаяся на принципе солнечных часов. Подобно другим самоделкам, наша конструкция полностью автономна и для работы не требует внешнего питания.

Работа классических солнечных часов

В классических солнечных часах время определяется по тени от гномона или штыря, отбрасываемой солнцем на круг с цифрами, соответствующими времени суток (рис. 1). Круг ориентирован так, что тень от штыря указывает на текущее время дня.

Рис.1

Наши модернизированные солнечные часы работают весьма похожим образом. В отличие от традиционных солнечных часов с фиксированной базой наши часы имеют механизм, расположенный на поворотном столике. Последний соединяется с неподвижным основанием часов с помощью вала электромотора. Столик может поворачиваться низкооборотным мотором по окружности на угол 360°.

Мотором управляет сложная электронная схема. В отличие от классических солнечных часов преимущество данной схемы заключается в том, что электроника определяет положение тени и управляет мотором, следуя за солнцем.

Слежение за солнцем

Электронная схема содержит два фотодатчика (фототранзисторы Q1 и Q2) и два компаратора напряжения (IC1 и IC2) (рис. 2). Фотодатчики соединяются последовательно с резисторами R1 и R2, образуя делитель напряжения, сигнал с которого снимается в точке соединения и R2.

Рис.2

Опорное напряжение на компараторы подается с делителя, образованного резисторами R3, R4 и R5. Таким образом, получается мостовая схема, одно плечо которой образовано элементами Q1, R1, R2 и Q2, другое - резисторами R3, R4 и R5. Второе плечо моста имеет необычный вид, так как выходной сигнал берется здесь не с общей точки, как это, например, сделано в первом плече моста. Вместо этого снимаются два различных напряжения с выводов резистора R4.

Потенциал на верхнем выводе резистора R4 выше потенциала на его нижнем выводе. Более высокое напряжение подается на компаратор IC1, более низкое - на IC2. Из-за различия в опорных напряжениях компараторы будут срабатывать при различных значениях входного напряжения.

Приглядевшись внимательно к схеме, можно заметить "перекрестное" соединение компараторов, т. е. отрицательный вход IC1 соединен с положительным входом IC2. Это приводит к неожиданному эффекту.

Чтобы понять принцип работы схемы, подадим напряжение на ее вход. Предположим, что входное напряжение ниже опорного напряжения компаратора IC2. Рассматривая компаратор IC1, мы видим, что на его выходе появится высокий потенциал, поскольку напряжение на его неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем. С другой стороны, на выходе IC2 будет отрицательный потенциал, потому что на его инвертирующем входе напряжение больше напряжения входного сигнала.

По мере увеличения входного напряжения наступает момент, когда напряжение на неинвертирующем входе IC2 станет больше опорного напряжения, снимаемого с резистора R5. Компаратор IC2 переключится, и на его выходе появится положительный потенциал. Однако компаратор IC1 не реагирует на это изменение напряжения, так как напряжение на его входе на одну треть превышает опорное напряжение компаратора IC2.

Когда входной сигнал превысит опорное напряжение компаратора IC2, на его выходе появится отрицательный потенциал. Заметим, что выходные напряжения обоих компараторов одинаковы (положительны), когда входное напряжение заключено между верхним и нижним пределами, определяемыми резистором R4.

Изменение входного напряжения зависит от интенсивности света, падающего на фототранзисторы. Когда на фототранзистор Q1 падает больше света, чем на Q2, входное напряжение велико. Когда, наоборот, на Q2 падает больше света, чем на Q1, входное напряжение мало. Когда оба фототранзистора освещаются одинаково, сигнал принимает среднее значение между двумя пределами.

Привод

Подключив между выходами компараторов электромотор, мы фактически смогли бы управлять его вращением с помощью фототранзисторов. Как было показано ранее, оба выхода имеют положительный потенциал только при равном освещении фототранзисторов. Затенение транзистора Q1 приводит к переключению компаратора IC1, на его выходе устанавливается низкий потенциал, в то время как на выходе IC2 напряжение остается высоким. Мотор начнет вращаться.

Затемнение транзистора Q2 вызывает противоположный эффект.

На выходе IC2 устанавливается низкий потенциал, а IC1 остается высоким. Мотор тоже начнет вращаться, но в другом направлении. Другими словами, управление мотором осуществляется путем освещения фототранзисторов. Чтобы устранить неустойчивую работу мотора вблизи нулевой точки, создана зона нечувствительности путем подачи на компараторы различных опорных напряжений.

Фактически компаратор не может непосредственно управлять электродвигателем. Чтобы повысить мощность выходного сигнала компаратора, используется микросхема IC3, которая управляет электромотором.

Конструктивно наша модель выполнена так (рис. 3), что гномон (центральная подвижная деталь устройства) затеняет тот или другой транзистор в зависимости от положения солнца. Мотор приходит в движение и вращает поворотный столик до тех пор, пока оба транзистора не будут одинаково освещены, иными словами, одинаково точно направлены на солнце. Теперь по положению гномона можно определить время суток.

Рис.3

Внимательно прочитав вышеизложенное объяснение, вы, вероятно, заметили, что интенсивность света, необходимая для работы устройства, ничем не ограничивалась. Пока оба фотодатчика получают одинаковое количества света, все устройство находится в покое. Как только один фотодатчик получит больше света по сравнению с другим, мотор придет в движение.

Это означает, что солнечные часы будут следить за солнцем, даже если оно скрыто в дымке или облаках, чего не могли осуществить классические солнечные часы. Фактически, подобрав значение и R2, можно даже следить за движением луны но ночному небу!

Солнечные часы получают электроэнергию от трех никель-кадмиевых аккумуляторов. Наряду с питанием мотора аккумуляторы осуществляют подачу электроэнергии на электронную схему. Заряд аккумуляторов осуществляется от небольшой солнечной батареи в течение дня. Чтобы предотвратить разрядку аккумуляторов через солнечную батарею ночью, в схему включен блокирующий диод.

Конструкция часов

Солнечные часы изготовляются из листа акриловой пластмассы типа оргстекла. Сначала вырежьте из пластмассы круг диаметром 26 см. Из его центральной части удалите диск диаметром 21 см. Будьте осторожны и не расколите оставшееся кольцо: оно будет служить циферблатом, а меньший круг - "подвижным столиком".

Затем вырежьте из листа пластмассы квадрат со стороной 17 см. Разрежьте его по диагонали на два равнобедренных треугольника, которые будут служить боковинами нашего гномона.

Чтобы на фотодетекторы не попал свет, проникающий через прозрачные пластмассовые боковины, их необходимо покрасить, лучше всего изнутри. Окраска изнутри позволяет сохранить блеск пластмассы, причем создается ощущение ее глубины, и увеличить срок службы краски. Для окраски подойдет непрозрачный краситель любого цвета.

Наконец, вырежьте из пластмассы пластину длиной 24 и шириной 6 см, на которой разместите солнечную батарею. Батарею из девяти солнечных элементов размером 2,5x5,3 см2 соедините последовательно и расположите вдоль длины пластины (длина батареи 22,5 см). Полное выходное напряжение батареи должно составлять 4 В при токе 100 мА. Используя данную информацию, в случае необходимости вы можете изменить конструктивные размеры батареи.

Теперь необходимо закрепить мотор (осью вниз) для вращения подвижного столика диаметром 21 см. Ось мотора пропускается через высверленное в центре столика отверстие, а сам мотор укрепляется на столике с помощью двух винтов или клея.

Прежде чем продолжить работу, в каждом треугольнике необходимо просверлить по отверстию диаметром 6 мм. Проведите мысленную линию между основанием прямоугольного треугольника и вершиной прямого угла. Эта линия - высота треугольника, если за основание принять гипотенузу. Отверстие просверливается приблизительно на расстоянии 5 см от вершины под углом 45° к плоскости треугольника в сторону его основания (гипотенузы). По окончании сборки печатной платы в этих отверстиях будут закреплены фототранзисторы.

Конструкция печатной платы

На печатной плате располагается электронная часть схемы солнечных часов. Рисунок проводников печатной платы показан на рис. 4, размещение деталей на плате - на рис. 5. Все элементы необходимо припаять в соответствующих точках платы, за исключением фототранзисторов.

Рис.4

Рис.5

Фототранзисторы размещаются в последнюю очередь. Фототранзистор Q1 припаивается с одной стороны печатной платы, а Q2 - с другой. Оставьте полную длину выводов транзисторов, не укорачивайте их. Теперь припаяйте выводы мотора и аккумуляторной батареи к печатной плате.

На данном этапе необходимо провести предварительную проверку работоспособности схемы. Аккуратно подогните выводы фототранзисторов так, чтобы транзисторы смотрели в одну сторону. Если схема сбалансирована точно, устройство должно быть неподвижно. При попеременном закрывании фототранзисторов мотор должен вращаться в противоположные стороны.

Если при точном направлении на источник света мотор продолжает вращаться, значит, характеристики фототранзисторов не совпадают. Если различие невелико, то его можно устранить, подобрав номиналы резисторов и R2. Проконтролировать балансировку моста можно, подключив к точке соединения резисторов вольтметр. При большом разбалансе необходимо подобрать фототранзисторы с близкими характеристиками.

Теперь настало время окончательной сборки солнечных часов. Вклейте по одному фототранзистору в отверстия диаметром 6 мм, высверленные в треугольных боковинах. Необходимо аккуратно укрепить треугольные боковины на поворотном столике, тогда фототранзисторы будут направлены под углом 45° к горизонту.

Приклейте окрашенные треугольные боковины к поворотному столику акриловым клеем. Их необходимо расположить параллельно друг другу на равном расстоянии от краев столика, это расстояние зависит от размеров используемого мотора.

Солнечная батарея

Аккуратно, чтобы не расплавить пластмассу, припаяйте проводники, идущие от солнечной батареи к печатной плате. Затем приклейте пластину с размещенной на ней солнечной батареей к длинным сторонам треугольных боковин. Вы увидите, что края пластины выступают за стороны треугольных пластин приблизительно на 6 мм. Это сделано специально.

Выступающий край отбрасывает тень на боковину гномона и слегка затеняет фототранзистор. Во избежание просвечивания пластины в этих местах следует закрасить края непрозрачной краской.

Необходимо избегать попадания краски на склеиваемые участки деталей. Лучше закрашивать эти участки после склейки.

Если монтаж выполнен правильно, мотор будет вращать поворотный столик в соответствии с затенением фотодатчиков. При вращении платформы в противоположную сторону поменяйте местами выводы мотора.

И наконец, для защиты гномона от воздействия дождя и влаги заклейте оставшуюся открытой сторону полоской пластмассы размером 17x5 см2. Эту деталь также необходимо закрасить во избежание нежелательной засветки.

Окончательная отделка

Чтобы часы начали работать, необходимо прикрепить вал мотора к поддерживающему основанию. Им может служить кусок дерева, металла, камня или другого материала, в который вставляется и приклеивается металлическая втулка с отверстием под вал мотора.

Большое пластмассовое кольцо, вырезанное из пластика при изготовлении поворотного столика, располагается вокруг солнечных часов и служит для индикации времени. Оно также крепится на внешнем основании.

Солнечные часы неплохо выглядят, если сначала покрасить круг золотистой или медной краской, а затем прикрепить к нему 13 римских цифр. Начните с цифры VI (6) и располагайте цифры на полукруге, двигаясь по часовой стрелке, пока вновь не достигнете цифры VI (6).

Обе цифры VI (6) располагаются друг против друга (под углом 180°), а римская цифра XII (12), соответствующая полдню,- под прямым углом (90°) к обеим цифрам VI. Фактически циферблат часов сжат до полукруга, другая половина остается чистой (ночные часы).

Чтобы выставить солнечные часы, просто поверните круг, пока указатель не покажет правильное время, после этого зафиксируйте его. При движении солнца по небосклону гномон будет следовать за ним.

Коррекция времени

Соответственно сезонному изменению положения солнца на небосклоне наблюдается небольшое различие между истинным и показываемым временем. Ошибку можно скорректировать с помощью вычислений, используя данные таблицы.

Теперь у вас имеются современные солнечные часы с традиционным внешним видом.

Автор: Байерс Т.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Автономные станции Volkswagen для быстрой зарядки электромобилей 15.02.2020 Volkswagen Group Components и крупнейшая энергетическая компания Германии E.ON представили новый прототип зарядного устройства для электромобилей. Это решение позволит расширить развертывание зарядных станций. Решение оказалось очень простым. Зарядная станция нового типа осуществляет зарядку электромобиля от интегрированной батареи, а не от сети. Это устраняет необходимость в создании потенциально дорогой инфраструктуры и аппаратного обеспечения при установке зарядной станции. Система быстрой зарядки может одновременно заряжать два электромобиля мощностью до 150 кВт, обеспечивая дополнительный пробег в среднем около 200 км всего за 15 минут. Пополнение емкости аккумулятора станции производится через подключение к разъему сети с номинальной силой тока 16-63 A. Иными словами, такие зарядные станции могут быть установлены в любом месте, где есть такой тип подключения, например, вблизи промышленных зон, зданий, таких как школы и больницы, а также крупных жилищных комплексов.

Другие интересные новости:

▪ Комары перестанут нападать на людей

▪ Расшифрованный помидор

▪ Самый быстрый смартфон от Huawei

▪ Водородный грузовик Mercedes-Benz GenH2 Truck

▪ ИИ-копирайтер от Alibaba

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Зрительные иллюзии. Подборка статей

▪ статья Законы святы, но исполнители лихие супостаты. Крылатое выражение

▪ статья Кто опроверг учение Птолемея? Подробный ответ

▪ статья Мята болотная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Плавающий ультразвук для защиты от грызунов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ. Пересечение и сближение ВЛ с надземными и наземными трубопроводами, сооружениями транспорта нефти и газа и канатными дорогами. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025